Viellissement , Durabilité et dégradation de matériaux composites soumis à des environnements agressifs

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Vieillissement, Durabilité et Dégradation de Matériaux
Composites Soumis à des Environnements Agressifs
Marco Gigliotti
To cite this version:
Marco Gigliotti. Vieillissement, Durabilité et Dégradation de Matériaux Composites Soumis à des En-
vironnements Agressifs. 17èmes Journées Nationales sur les Composites (JNC17), Jun 2011, Poitiers-
Futuroscope, France. pp.16. �hal-00597882�

Comptes Rendus des JNC 17 - Poitiers 2011
1
Vieillissement, Durabilité et Dégradation de Matériaux Composites
Soumis à des Environnements Agressifs
Ageing, Durability and Degradation of Composite Materials
Subjected to Aggressive Environment
Marco Gigliotti
1
,
Laureat du Prix Daniel Valentin 2010
1: Institut Pprime – CNRS – ENSMA – Université de Poitiers – UPR 3346
Département Physique et Mécanique des Matériaux
ENSMA – Téléport 2 – 1, Avenue Clément Ader – BP 40109
F86961 FUTUROSCOPE CHASSENEUIL Cedex
e-mail : marco.gigl[email protected],
Résumé
L’AMAC a attribué le Prix Daniel Valentin 2010 à l’auteur pour son travail de recherche dans le domaine du
vieillissement et de la durabilité de matériaux composites à matrice organique (CMO) soumis à des environnements
agressifs et concernant, en particulier :
- le couplage hygro – thermo - mécanique lié à des variations cycliques de température et humidité [1 - 3] et le
développement d’une technique expérimentale originale - employant des plaques composites asymétriques de
type 0/90 - pour le suivi et la caractérisation de ces phénomènes [6 – 9],
- le couplage mécano – diffusif lié aux mécanismes de thermo oxydation à haute température et à haute pression
[4 - 5], et la caractérisation des effets de ce couplage à différentes échelles,
- le couplage électro – mécanique ayant lieu dans des matériaux composites soumis à des courant électrique
d’intensité intermédiaire [10] et l’effet de ce couplage sur la durée de vie des CMO.
Dans cet articles une partie de ces travaux est synthétiquement résumée, les problématiques majeures liées au
vieillissement des CMO sont mises en relief, les principaux verrous à lever sont présentés et des pistes pour des futurs
travaux de recherche dans ce domaine sont identifiées.
Abstract
AMAC gave the Daniel Valentin 2010 Award for his research work within the framework of ageing and durability of
composite materials subjected to aggressive environments and concerning mainly:
- the hygro – thermo – mechanical coupling related to transient and cyclical hygrothermal fields [1 - 3] and the
development of an original experimental technique employing 0/90 unsymmetric composite plates for the
monitoring and the characterisation of such phenomena [6 - 9],
- the reaction - diffusion – mechanical coupling related to the thermo-oxidation phenomena occurring at high
temperature and high pressure [4-5] and the characterisation of such coupling at different scales,
- the electro – mechanical coupling occurring in composite materials subjected to electrical currents of
intermediate intensity [10] and the effect of such coupling on the durability of such materials.
The present paper reviews some of the cited work : the main issues concerning ageing in composite materials are
discussed and perspectives for future studies in this research domain are identified.
Mots Clés : CMO, Vieillissement, Durabilité, Humidité, Température, Couplage électro – mécanique.
Keywords : Composite Materials, Durability, Ageing, Temperature, Electro – Mechanical Coupling.
1. Introduction
L’emploi de matériaux composites à matrice organique (CMO) pour la réalisation de structures
aéronautiques permet un gain de masse entre 25% et 30% par rapport à des solutions plus classiques
(alliages d’aluminium ou de titane) ; cependant, aujourd’hui, la masse de structures composites ne
représente que 20% environ de la masse totale. En effet, ces matériaux ont de très bonnes propriétés
spécifiques, résistance et rigidité, et une exceptionnelle résistance en fatigue dans des conditions

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environnementales ‘standard’, mais leurs performances se dégradent en présence d’environnements
agressifs, suite à l’apparition de phénomènes de vieillissement.
Pour ces raisons, l’intégration des CMO dans des structures confrontées à des environnements
agressifs demeure difficile [11] car des problèmes de durabilité se manifestent [11 - 14].
Le vieillissement des CMO résulte de l’action combinée de la température, de l’humidité, et de la
pression de l’environnement mais aussi des conditions de leur mise en œuvre (type de procédé,
cycle de cuisson induisant des contraintes résiduelles) et de la structure du matériau [12] ; il
correspond à une évolution souvent irréversible des propriétés du matériau et son étude nécessite
des approches complexes, multi - physiques et multi - échelles.
La définition de durabilité est elle-même complexe : selon [12], la durée de vie est « le temps
pendant lequel le matériau, ou plus précisément une de ses propriétés, va conserver sa
fonctionnalité dans des conditions bien définies ». Cette définition doit être « interprétée » en
fonction du type et de la nature du vieillissement : en outre, l’identification claire des paramètres
dimensionnant et des chargements environnementaux affectant les mécanismes de vieillissement (et
leur localisation) est souvent difficile [12].
Les difficultés liées à la caractérisation expérimentale des phénomènes de vieillissement (type
d’essai, type de conditionnement, type d’éprouvette), à la détermination de conditions
d’accélération de ces essais et à la « mesure » des durées de vie des CMO contribuent
ultérieurement à complexifier les travaux de recherche dans ce domaine.
Les organismes de certification européens (JAA) ou américains (FAA) ont imposé des normes pour
le dimensionnement des structures en CMO permettant de prendre en compte les conditions
environnementales de service et fixant les conditions d’accélération des essais de vieillissement
(JAR 25 - 603 [12]) : la plupart de ces normes sont « pragmatiques », basées sur le retour
d’expérience, et il est clair qu’une compréhension fine des mécanismes ayant lieu pendant les
processus de vieillissement est nécessaire pour pouvoir les élargir et les compléter.
L’exemple du vieillissement humide est très significatif, l’absorption d’eau, souvent réversible,
induisant une baisse des propriétés mécaniques des CMO. Partant du principe qu’un CMO exposé à
un environnement humide atteint souvent un état de saturation et que la baisse de ses propriétés peut
être assez bien caractérisée, les normes suggèrent de prendre en compte directement dans le
dimensionnement la chute des propriétés à saturation [11]. Cette procédure ignore ouvertement les
phases transitoires (ou cycliques) du conditionnement et les mécanismes de dégradation qui ont lieu
pendant ces phases, en particulier le développement de gradients de contraintes et de propriétés -
normalement absents dans un état dit « saturé » - qui peuvent interagir de façon complexe avec les
sollicitations mécaniques.
Pour donner un autre exemple, les normes semblent être très vigilantes par rapport a la tenue à la
foudre des structures de fuselage en CMO et préconisent l’utilisation de protections particulières
(ex : grillage de bronze) contre le foudroiement [11]. Encore une fois cette façon de faire – qui
concerne un type de phénomène assez particulier et assez rare – ne prend pas en compte les formes
de vieillissement électrique ayant lieu dans des CMO soumis à la circulation de courants électriques
parasites – même d’intensité relativement faible – pendant des durées très longues.
Les pièces structurales du futur avion supersonique (envisagé pour l’horizon 2020 – 2030) seront
soumises à des sollicitations hygro – thermo – mécaniques cycliques assez importantes [14, 15] : les
phénomènes de désorption d’humidité à hautes températures et les successifs passages à basses
températures peuvent favoriser l’amorçage et la propagation de l’endommagement [1-3]. Dans les
premiers stades de turboréacteurs (structures ‘tièdes’), les températures en jeu sont de l’ordre de
120°C – 190°C et la présence de l’oxygène dans le milieu environnant induit des processus de
thermo-oxydation des matrices organiques conduisant à de sévères phénomènes de dégradation et
une diminution significative de la durée de vie [4-5]. La réalisation de panneaux de fuselage en
CMO (pour le futur A350 par exemple) va nécessiter une meilleure compréhension du
comportement thermo – électro – mécanique couplé de ces matériaux dans une gamme de courants
électriques intermédiaires – courants directs et alternatifs jusqu’à 10A, 900Hz [10]. La maitrise des
phénomènes de dégradation associés à ces conditions d’utilisation nécessite la mise en place

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d’approches multi-physiques et multi-échelles, à la fois expérimentales et théoriques, et soulève des
questions scientifiques, outre que technologiques, de grande ampleur et complexité.
L’AMAC a attribué le Prix Daniel Valentin 2010 à l’auteur pour son travail de recherche
concernant :
- le couplage hygro – thermo - mécanique lié à des variations cycliques de température et
humidité [1 - 3] et le développement d’une technique expérimentale originale - employant
des plaques composites asymétriques de type 0/90 - pour le suivi et la caractérisation de ces
phénomènes [6 – 9],
- le couplage mécano – diffusif lié aux mécanismes de thermo oxydation à haute température
et à haute pression [4 - 5], et la caractérisation des effets de ce couplage à différentes
échelles,
- le couplage électro – mécanique ayant lieu dans des matériaux composites soumis à des
courants électriques d’intensité intermédiaire [10] et l’effet de ce couplage sur la durée de
vie des CMO.
Dans cet article une partie de ces travaux [1 – 3, 6 - 9] est synthétiquement résumée, les
problématiques majeures liées au vieillissement des CMO sont mises en relief, les principaux
verrous à lever sont présentés et des pistes pour des futurs travaux de recherche dans ce domaine
sont identifiées.
2. Couplage hygro – thermo - mécanique lié à des variations cycliques de température et
humidité.
Ce chapitre présente synthétiquement le travail effectué par l’auteur dans le cadre du Programme de
Recherche RRIT Supersonique 2001 concernant le couplage hygro – thermo - mécanique lié à des
variations cycliques de température et humidité [1 - 3] et le développement d’une technique
expérimentale originale - employant des plaques composites asymétriques de type 0/90 - pour le
suivi et la caractérisation de ces phénomènes [6 – 9]. La section 2.1 présente les généralités sur la
modélisation des contraintes internes hygrothermoélastiques, la section 2.2 les simulations des
contraintes internes issues de ce modèle et le détail de leur mesure à travers l’emploi de plaques
0/90 asymétriques. La présence d’un endommagement du aux différentiels de température, au
conditionnement humide et au cyclage thermique a été souligné dans la littérature [14]. La figure 1
montre une plaque stratifiée endommagée par un conditionnement cyclique, sans aucun chargement
mécanique appliqué [15]. Il est clair aujourd’hui qu’un chargement hygrothermique peut provoquer
des dommages sous la forme de microfissures dans la matrice, décollement fibre matrice, micro
délaminage.
45 °
90 °
45 °
Fig. 1. Evidence d’endommagement dans des plaques composites soumises à un cyclage hygrothermique [15].

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2.1. Généralités sur la modélisation des contraintes internes hygrothermoélastiques cycliques
Un problème hygrothermoélastique peut être modélisé en utilisant une théorie découplée, où la
température, la concentration de l’eau diffusante (ou son potentiel chimique) et la déformation (ou
la contrainte), c’est à dire les trois variables d’état du problème considéré, sont gouvernées par des
équations indépendantes et peuvent être résolues séparément. Les équations découplées de
l´hygrothermoélasticité peuvent en principe être déduites de celles de la théorie couplée ; pour cela,
le flux diffusif doit être indépendant des contraintes. Le modèle de Fick suppose que le taux de
transfert de la substance diffusante par unité de surface de section du solvant est proportionnel au
gradient - normale à la section - de la concentration. Le coefficient de diffusion dépend seulement
de la température. En supposant que la vitesse totale du système (polymère et milieu diffusant) est
égale à zéro (en fait, elle peut être négligée), la conservation de la masse est exprimée par :
0c
t
c=∇⋅∇⋅−
∂
∂
D (Eq.1)
où c est la concentration en eau, D = D(T) = D(T)I est le tenseur des coefficients de diffusion,
dépendant de la température. La résolution de l’Eq. (1) avec les conditions initiales et aux limites
appropriées, donne la concentration en eau en fonction du temps et de l’espace. Là loi de Fick peut
être employée dans de nombreux cas pratiques, notamment, lorsque les relevés expérimentaux
révèlent une indépendance entre le coefficient de diffusion et la concentration en eau. La
concentration sur les surfaces, c
∞
, peut être considérée constante : elle est habituellement liée à
l’humidité relative externe par le biais d’une expression semi-empirique du type :
(
)
b
RHCc =
∞
(Eq.2)
où C et b sont des constantes dépendant du matériau et RH est l’humidité relative externe (%). La
dépendance du coefficient de diffusion en fonction de la température est représentée par une loi
d’Arrhenius :
∆
−
==
T
B
RT
H
0
AeeDD (Eq.3)
où D
0
est une constante dépendant du matériau, ∆H est l’énergie d’activation et R est la constante
des gaz parfaits. Finalement, A et B représentent deux paramètres à identifier. Les conditions
d’essais permettant d’identifier les paramètres de la diffusion sont rarement représentatives des
conditions « réelles » pour lesquelles humidité et température varient dans le temps. En fait, pour de
nombreuses applications industrielles les conditions environnementales présentent un caractère
périodique, les champs de concentration et de température en surface du solide sont des fonctions
périodiques de période τ. Dans ce cas, les processus de diffusion se révèlent plus complexes à
modéliser. Les variations de température et d’humidité ont des répercussions sur le coefficient de
diffusion, qui dépend de la température, et sur les conditions aux limites, qui dépendent de
l’humidité relative. Les fluctuations de l´environnement externe induisent des fluctuations à
l’intérieur du solide seulement dans une zone proche des surfaces latérales, dont l’étendue peut être
déterminée explicitement, et vaut [3] :
ττ∆π=
∫
π=
τ
)(2dt )t(D2e
0
0
(Eq.4)